【摘要】：由于具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì),低維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)和納米材料,如一維硅納米線/管、二維層狀磷烯薄膜等,在新型納米電子/光電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。在諸多的性能當(dāng)中,納米器件的熱輸運(yùn)性質(zhì)引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。隨著器件尺寸降至納米尺度,其熱輸運(yùn)性能與塊體材料截然不同。而且,隨著電子/光電子器件尺寸的減小,體系工作時(shí)的散熱也將嚴(yán)重削弱器件的性能。因此,探索高熱導(dǎo)特性的新型納米電子/光電子器件,以打破摩爾定律極限,進(jìn)一步提高器件性能已經(jīng)成為該領(lǐng)域迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。在納米尺度下,材料體系可以看成是由核殼兩部分組成的分層結(jié)構(gòu)。由于晶格結(jié)構(gòu)周期性的終止,材料表面殼層中的原子鍵缺失將導(dǎo)致其具有低的配位數(shù)。隨著材料尺寸的減小,表面殼層所占的體表比隨之升高,表面原子的鍵長收縮和變短使得體系自發(fā)弛豫,從而誘使整個(gè)核殼體系處于新的能量狀態(tài)并導(dǎo)致其輸運(yùn)性質(zhì)的改變。雖然目前在低維納米結(jié)構(gòu)熱輸運(yùn)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方面取得了一些進(jìn)展,但存在的一些基礎(chǔ)問題尚未解決:如尺寸和溫度對一維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)聲子散射幾率的物理機(jī)制、界面對聲子透射幾率和界面熱阻、幾何效應(yīng)與體系界面熱導(dǎo)之間的的理論關(guān)系不清楚等等。因此,基于表面原子鍵弛豫理論和聲子動(dòng)力學(xué)模型,本論文從原子尺度研究了一系列低維半導(dǎo)體納米材料中的熱輸運(yùn)性質(zhì),包括一維硅納米線和硅納米管的熱導(dǎo)率、硅/鍺核殼納米線的界面熱阻和熱導(dǎo)率、幾何效應(yīng)對納米多孔薄膜的熱導(dǎo)率的影響以及黑磷/二氧化硅異質(zhì)結(jié)界面熱導(dǎo)的界面效應(yīng)等。而且,基于彈簧振子模型和拉格朗日動(dòng)力學(xué)方法,研究了單軸應(yīng)變對單層黑磷薄膜Raman振動(dòng)頻率的影響。主要的研究成果如下:(1)研究了一維硅納米線(管)熱導(dǎo)率的尺度和溫度效應(yīng),并建立了微觀鍵參數(shù)與熱導(dǎo)率的理論關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)隨著硅納米線(管)尺寸的減小,聲子的散射幾率將增大,其會(huì)導(dǎo)致聲子弛豫時(shí)間減小,進(jìn)而熱導(dǎo)率隨之減小。隨著溫度的升高,有更多的聲子參與晶格振動(dòng),導(dǎo)致聲子熱容增加;同時(shí),聲子與聲子間的散射幾率增大,使得聲子弛豫時(shí)間減小。聲子熱容的增加和聲子弛豫時(shí)間的減小共同作用于一維硅納米線(管),導(dǎo)致其熱導(dǎo)率隨溫度的升高出現(xiàn)先增加后減小的現(xiàn)象。此外,在一維硅/鍺核殼納米線中,體系界面的存在會(huì)產(chǎn)生界面熱阻,其會(huì)降低聲子的界面跳躍幾率,導(dǎo)致聲子透射率降低,使得其熱導(dǎo)率相比與裸線更低。(2)建立了幾何參數(shù)依賴的納米多孔硅薄膜熱導(dǎo)率的理論模型。計(jì)算結(jié)果表明,多孔硅薄膜中不僅存在表面原子配位缺陷引起的表面效應(yīng),而且孔與孔之間的彈性相互作用也會(huì)對體系的熱輸運(yùn)性質(zhì)產(chǎn)生影響。具備負(fù)曲率特征的納米孔內(nèi)表面鍵弛豫和孔間相互作用會(huì)降低體系的總能,引起多孔硅薄膜熱輸運(yùn)性質(zhì)發(fā)生改變。薄膜厚度和孔周期性長度的降低均會(huì)減小多孔薄膜的平均聲子速度,導(dǎo)致其聲子熱導(dǎo)率的降低。(3)提出了黑磷/二氧化硅異質(zhì)結(jié)尺寸依賴的界面熱導(dǎo)模型。發(fā)現(xiàn)黑磷與二氧化硅襯底間的界面應(yīng)變會(huì)改變異質(zhì)結(jié)界面處的聲子耦合強(qiáng)度,并進(jìn)一步影響到異質(zhì)結(jié)的界面熱導(dǎo)。隨著黑磷厚度的減小,自平衡應(yīng)變引起界面失配應(yīng)變的減小,使得界面粘附能和界面耦合強(qiáng)度增加,導(dǎo)致黑磷/二氧化硅界面熱導(dǎo)升高。同時(shí),溫度的升高會(huì)激發(fā)更多的聲子參與晶格振動(dòng),導(dǎo)致聲子流密度增加。(4)基于彈簧振子模型和拉格朗日動(dòng)力學(xué)方法,從原子尺度探索了單軸應(yīng)變對單層黑磷R(shí)aman振動(dòng)頻率漂移的影響。計(jì)算結(jié)果表明,由于黑磷獨(dú)特的晶格褶皺結(jié)構(gòu),在黑磷的扶手椅型方向和鋸齒型方向施加應(yīng)變時(shí),原子的鍵長和鍵角表現(xiàn)出了取向依賴的變化,導(dǎo)致A2、B2g和Ag1三種振動(dòng)模式表現(xiàn)出了不同變化趨勢和速率。其中,Ag2和B2g隨著扶手椅型方向的單軸應(yīng)力的增加而藍(lán)移,隨著鋸齒型方向的單軸應(yīng)力的增加而紅移;Ag1隨著扶手椅型方向單軸應(yīng)變而發(fā)生紅移,隨著扶手椅型方向單軸應(yīng)變而發(fā)生藍(lán)移。
【圖文】：

1.2 熱輸運(yùn)理論簡介一般認(rèn)為[21]，熱量 Q 會(huì)在溫度分布不均的固體中從高溫一側(cè)流向低溫一側(cè)，此稱為熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。這種現(xiàn)象可以用經(jīng)典的傅里葉定律來描述：dTJdx (1.2-1)J 是單位時(shí)間通過單位橫截面積的熱量，即熱流密度。比例系數(shù) 為熱導(dǎo)率。固體按照導(dǎo)電性能可以分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。在導(dǎo)體中的熱量傳輸主要依靠的是電子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)熱，而在半導(dǎo)體和絕緣體中則主要依靠的是晶格振動(dòng)來導(dǎo)熱，或者說是依靠聲子的運(yùn)動(dòng)來導(dǎo)熱[22, 23]。在本論文中，研究對象是一維或者二維的半導(dǎo)體材料，因此，這里主要討論的是聲子傳熱機(jī)制。圖 1.1 (a) 中央處理器芯片冷卻系統(tǒng)示意圖[16] (b) 熱電設(shè)備示意圖[20]

01=2l r l rJ J J f f d (1.2根據(jù)熱導(dǎo)定義，熱導(dǎo)的表達(dá)式為 012l rG f f dT (1.2這里l r T T T指的是體系左右的溫差。當(dāng)體系左右溫差足夠小時(shí)，左側(cè)的子分布函數(shù)應(yīng)等于右側(cè)聲子分布函數(shù)。此時(shí)利用泰勒函數(shù)將上式做關(guān)于溫度的一次展開可得 0 01 1=2 2T Tf fG T d dT T T (1.2聲子是玻色子，服從玻色-愛因斯坦分布。設(shè) T 是體系所處的平均熱浴溫度，，圖 1.2 一維納米體系熱傳導(dǎo)示意圖
【學(xué)位授予單位】：湖南師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.1;TN303

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本文編號：2640437